在航空航天領域，自動化是提高熱塑性復合材料部件制造水平的重要手段。飛機制造商（OEM）和各級零部件供應商采用LMPAEK等高性能聚合物并結合新型加工技術，有望通過輕型復合材料來增加產能、減少缺陷、提高效率，進而降低生產成本。

復合材料技術所帶來的輕量化和機械性能優勢已得到廣泛認可。自用于飛機制造以來，復合材料在該行業一直保持穩定增長，預計到2026年將達到4.65億美元。展望未來，復合材料尤其是熱塑性復合材料單向帶在降低系統成本和提高產能方面可為航空航天業帶來更大優勢?？梢哉f，熱塑性復合材料是一種適用性更強的生產材料。它可以重復加工，無放熱風險，也不太可能受到異物碎屑的影響,同時還可以提高加工速度，使生產線更加清潔，并加快實現大批量生產。 

尺寸均勻一致：單向帶

熱塑性復合材料單向帶（TPUD）常被用于自動化生產，因為其尺寸均勻（寬度、厚度一致），孔隙率低，在大規模生產時具有一定的可預測性。如今，我們研發出了各種專用非高壓釜制造工藝，以充分利用熱塑性復合材料的潛能。

以下皆為高度自動化并且已經實現商業化的制造技術： 

• 自動鋪帶（ATL）和熱壓固化

•  現場自動鋪絲（AFP）

• 自動鋪絲和真空袋成型

• 自動鋪絲和固化爐固化

• 連續模壓成型（CCM）

• 纖維貼片鋪放（FPP）

• 模壓成型

• 編織 

然而，自動化生產工藝并非一帆風順。自從航空航天工業開始使用復合材料以來，手工作業一直是主要的生產方式。從手工作業轉變為自動化工藝可以說是自然而然的事，但是工藝和檢測技術的驗證并使其成為規范需要一定的時間。如今，為正確的應用選擇合適的材料成為了一大挑戰。

采用熱塑性復合材料與采用金屬材料的設計為何大相徑庭呢？

對于設計工程師而言，金屬材料和復合材料屬于不同的知識領域，后者具有各向異性（即方向性）。如果您需要的是各向同性特性（即在各個方向測量時性能都相同），那么您可能會問為什么要使用各向異性材料呢。原因有二：

• 首先，碳復合材料（密度約為1.6 g/cm3）與常用的航空航天金屬材料如鋁材（密度約為2.8 g/cm3）和鈦材（密度為4.4 g/cm3）相比，密度上存在較大差異：大約比鋁材輕三分之一，比鈦材輕三分之二。但這不是唯一的原因。

•  其次，我們還需要看材料的比強度（通常稱為強度重量比）。鋁合金6061-T6和5級鈦合金6AI-4V的比強度分別為107和214，而復合材料的比強度達到了1515，真是令人嘆為觀止。憑借這一特性，即使在施加均勻載荷的情況下，復合材料的表現也可以同樣令人信服。它們之間還有一個重要的區別：復合材料的強度具有明顯的方向性。

在所受載荷不均勻的應用中，復合材料因為具有各向異性特性，所以可以根據需求進行定制。有了這些定制特性，就可以進一步降低層壓板的厚度，從而使其重量比同等性能的準各向同性材料和金屬材料更輕。因此，對于與ATL或AFP生產設備打交道的工程師來說，這種設計自由度具有不可思議的價值。

優化性能和制造工藝

在部件設計之初，就需要將制造工藝考慮在內。制造設計可推動應用設計。加工知識對于按時、按預算完成項目目標至關重要。例如，在嵌件注塑工藝中，部件設計能夠促進模具設計，還可以通過迭代設計工藝來優化部件的性能和生產可行性。設計復合材料部件與設計金屬部件之間的根本區別在于，復合材料部件所用材料價格昂貴，但時間成本不高（因為生產周期短），而金屬設計則恰恰相反——材料相對便宜，但加工時間成本昂貴。  因此，您必須明智地選擇合作伙伴，確保他們對現有熱塑性復合材料制造技術有深刻的了解。這有助于設計工程師為應用選擇合適的工藝和材料組合。

合格材料供應

采用熱塑性復合材料的另一大阻力是缺乏有關合格材料的數據庫。畢竟，金屬材料在航空領域已經使用了超過100年，并且都已經標準化，大部分甚至已經商品化了。而熱塑性塑料則更加復雜，因為您需要的不是為特定材料創建數據庫，而是需要有關特定熱塑性復合材料和制造工藝的數據。隨著材料和工藝標準的確立，這一問題會變得越來越無關緊要，但這也表明設計和制造的合作方式對有效實施熱塑性復合材料解決方案至關重要。于是，問題就變成了這樣：我們應投資于可能處于生命周期末期的成熟材料和技術，還是應跨越鴻溝，開發出新的材料和工藝組合，從而保證未來的效率？如果OEM廠商的投資是一個風向標，我覺得會是后者。 

熱塑性復合材料前景光明

復合材料在航空航天領域的前景似乎比以往任何時候都更光明。隨著熱塑性復合材料自動化生產技術的日益成熟和普及，我們發現，商用飛機、先進無人機和旋翼飛機等各種飛機平臺對復合材料的使用與日俱增。隨著材料鑒定方法的不斷進步，以及航空航天業在設計中能夠更加有效地利用各種材料和工藝，復合材料解決方案在航空航天領域可能會繼續呈現出增長態勢，進而研制出可大規模生產的輕型飛機。

關于作者

Jonathan Sourkes，威格斯航空航天事業部銷售負責人

Jonathan Sourkes是威格斯航空航天事業部的銷售負責人，擁有超過13年的復合材料應用開發經驗。他還發表過多篇關于復合材料自動化生產和航空航天復合材料行業的文章。 

原文始發于微信公眾號（威格斯Victrex）：自動化在復合材料生產中的重要作用